Влияние тяжелых металлов на формирование проростка ячменя

Особенно ценны и удобны для индикационных работ сообщества крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так, стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Ве1ориs показательны для солончаково-солонцовых почв, многоножки-кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Дождевые черви Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников являются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах.

Интерес представляет почвенно-альгологическая диагностика, в основе которой лежит положение о том, что зональности почв и растительности соответствует зональность водорослевых группировок. Она проявляется в общем видовом составе и комплексе доминантных видов водорослей, наличии специфических видов, характере распространения по почвенному профилю, преобладании определенных жизненных форм [9].

Микробиологическая и биохимическая характеристика почв - наиболее сложные разделы почвенной биодиагностики. Микроорганизмы - очень чуткие индикаторы, резко реагирующие на различные изменения в среде. Отсюда необычайная динамичность микробиологических показателей. Почва характеризуется не только составом и численностью разных групп биоты, но и их суммарной активностью, а также активностью биохимических процессов, обусловленных наличием определенного пула ферментов, выделенных в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов, а также аккумулированных почвой после разрушения клеток. Показателями биологической активности почв, применяемых в биоиндикации, могут служить количественные характеристики численности и биомассы разных групп почвенной биоты, их общая продуктивность, некоторые энергетические данные, активность основных процессов, связанных с круговоротом элементов, ферментативная активность почв, а также количество и скорость накопления некоторых продуктов жизнедеятельности почвообитающих организмов.

Для определения размеров микробной биомассы и продуктивности используют не только прямые подсчеты числа клеток, но и косвенные методы - биохимические и физиологические. Например, биомассу водорослей предложено определять по количеству хлорофилла, бактерий - по специфической для прокариот мурамовой кислоте, грибов - по хитину, который входит в состав их клеточной стенки. Микробную активность в почве определяют также по уровню АТФ и полифосфатов, содержанию ДНК, РНК и аминокислот.

Наиболее общими являются методы, позволяющие оценить суммарные биологические процессы по исходным или конечным продуктам: методы определения дыхания почвы по поглощению O2 или выделению СO2; учет активности азотфиксации по восстановлению ацетилена; микрокалориметрические измерения для установления уровня термостойкости; аппликационные методы с применением специальных материалов (целлюлозы, хроматогра-фической бумаги, целлофана) для оценки скорости и степени их разложения и накопления продуктов метаболизма, например аминокислот. Особую группу составляют методы определения потенциальной активности отдельных ферментов в почвах (именно активности, а не количественного содержания) [20].

1.3 Тяжелые металлы

Все тяжёлые металлы в той или иной степени ядовиты, к ним относят обычно элементы с удельным весом более 4,5 г/см3 [21].

Существует более 40 определений того, что такое тяжёлые металлы. Наиболее распространены из них два:

Тяжелые металлы - это элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40.

Тяжёлые металлы - это металлы с плотностью, большей (>5000 кг/м3), чем у железа [22]. В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в организме человека. При этом 15 из них (Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Ni, V, Se, Mn, As, F, Si, Li) признаны жизненно необходимыми [23]. Однако они могут оказывать отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Cd, Pb, Sn и Rb считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях [24]. В течение длительного времени в биогеохимических исследованиях микроэлементов превалировал интерес к геохимическим аномалиям и возникающим из-за них эндемиям природного происхождения. Однако в последующие годы, в связи с бурным развитием промышленности и глобальным техногенным загрязнением окружающей среды, наибольшее внимание стали привлекать аномалии элементов, в большей степени тяжелые металлы, имеющих индустриальное происхождение. Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более химически «агрессивной». В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель [25]. Влияние микроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских целях. В настоящее время выявлено, что многие заболевания, синдромы и патологические состояния вызваны дефицитом, избытком или дисбалансом микроэлементов в живом организме и имеют общее название «микроэлементозы» [24].

1.3.1 Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов

В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека [26].

Фитотоксичное действие тяжелых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия на живые организмы. Например, смесь цинка и меди в пять раз токсичнее, чем арифметически полученная сумма их токсичности, что обусловлено синергизмом при совместном влиянии этих элементов. Подобным образом действует и смесь цинка с никелем. Однако существуют наборы металлов, совместное действие которых проявляется аддитивно. Ярким примером этого являются цинк и кадмий, проявляющие взаимный физиологический антагонизм. Очевидны проявления синергизма и антагонизма металлов и в их многокомпонентых смесях. Поэтому суммарный токсикологический эффект от загрязнения среды тяжелых металлов зависит не только от набора и уровня содержания конкретных элементов, но и особенностей их взаимного воздействия на биоту. Таким образом, влияние тяжелых металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды [24].

1.3.2 Биологическая роль и токсикологическое влияние хрома

Хром относится к числу элементов, жизненно необходимых животным организмам. Основные его функции - взаимодействие с инсулином в процессах углеводного обмена, участие в структуре и функции нуклеиновых кислот и, вероятно, щитовидной железы. Растительные организмы положительно реагируют на внесение хрома при низком содержании в почве доступной формы, однако вопрос о незаменимости элемента для растительных организмов продолжает изучаться [28].

Токсичное действие металла зависит от валентности: шестивалентный катион гораздо токсичнее трехвалентного. Симптомы токсичности хрома внешне проявляются в снижении темпов роста и развития растений, увядании надземной части, повреждении корневой системы и хлорозе молодых листьев. Избыток металла в растениях приводит к резкому снижению концентраций многих физиологически важных элементов, в первую очередь К, Р, Fe, Mn, Cu, B. В организме человека и животных общетоксикологическое, нефротоксическое и гепатотоксическое действие оказывает Cr6+. Токсичность хрома выражается в изменении иммунологической реакции организма, снижении репаративных процессов в клетках, ингибировании ферментов, поражении печени, нарушении процессов биологического окисления, в частности цикла трикарбоновых кислот. Кроме того, избыток металла вызывает специфические поражения кожи (дерматиты, язвы), изъявления слизистой оболочки носа, пневмосклероз, гастриты, язву желудка и двенадцатиперстной кишки, хромовый гепатоз, нарушения регуляции сосудистого тонуса и сердечной деятельности. Соединения Cr6+, наряду с общетоксикологическим действием, способны вызывать мутагенный и канцерогенный эффекты. Хром, помимо легочной ткани, накапливается в печени, почках, селезенке, костях и костном мозге [29].

1.3.3 Биологическая роль и токсикологическое влияние свинца

Биологическая роль свинца изучена весьма слабо, однако в литературе встречаются данные, подтверждающие, что металл жизненно необходим для животных организмов на примере крыс. Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05-0,5 мг/кг. В небольших количествах он необходим и растениям. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества.

Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды. Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей.

Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного действия свинца - появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к его избытку неодинаковая: менее устойчивы злаки, более устойчивы бобовые. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при разном валовом содержании свинца в почве - от 100 до 500 мг/кг. Концентрация металла выше 10 мг/кг сух. в-ва является токсичной для большинства культурных растений.

В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный тракт. При токсичных дозах элемент накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях. При свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропатия). Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей.

1.3.4 Биологическая роль и токсикологическое влияние никеля

Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов - ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции организма. По своим биохимическим свойствам никель весьма схож с железом и кобальтом. Недостаточность металла у жвачных сельскохозяйственных животных проявляется в снижении активности ферментов и возможности летального исхода.

До настоящего времени в литературе не встречаются данные о дефиците никеля для растений, однако в ряде экспериментов установлено положительное влияние внесения никеля в почвы на урожайность сельскохозяйственных культур, которое, возможно, связано с тем, что он стимулирует микробиологические процессы нитрификации и минерализации соединений азота в почвах. Токсичность никеля для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Для животных организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных повреждений во многих органах и тканях. Экспериментально установлена эмбриотоксичность никеля. Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом [24].

1.3.5 Биологическая роль и токсикологическое влияние кобальта

Кобальт -- относительно редкий металл, и богатые им месторождения в настоящее время практически исчерпаны. В земной коре содержание кобальта равно 4·10-3 % по массе. Кобальт входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo2SO4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит СоAs2 и другие. Как правило, кобальту в природе сопутствуют его соседи по 4-му периоду - никель, железо, медь и марганец. В морской воде приблизительно (1-7)·10-10 % кобальта.

Кобальт в огромном большинстве простых соединений является двухвалентным а в комплексных - трехвалентным (известны двух- и трехвалентный) [30].

Кобальт относится к числу микроэлементов, то есть постоянно присутствует в тканях растений и животных. Некоторые наземные растения и морские водоросли способны накапливать кобальт. Установлено, что по мере увеличения содержания кобальта в почве его уровень в листьях травянистых и кустарниковых видов возрастает более чем в 3-4 раза. Входя в молекулу витамина В12 (кобаламина), кобальт участвует в важнейших процессах животного организма - кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях.

Кобальт участвует в ферментативных процессах фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями.

В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 14 мг кобальта. Суточная потребность составляет 0,007-0,015 мг, ежедневное поступление с пищей 0,005-1,8 мг. У жвачных животных эта потребность гораздо выше, например, у дойных коров - до 20 мг.

Соединения кобальта обязательно входят в состав микроудобрений. Однако избыток кобальта для человека вреден. ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м3, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л. Токсическая доза - 500 мг. Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Со2(СО)8 [31].

Кобальт относится к элементам, которые, попадая в естественные экосистемы, перерабатываются природными процессами, и не вызывают существенных изменений в природе [30].

Глава 2. Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования нами были выбраны проростки ячменя, сорт Белогордец.

Эксперимент проводился по следующей методике. Предварительно отсортированные вымытые, просушенные и взвешенные зерна помещались в чашки Петри на слой фильтровальной бумаги. Бумага смачивалась раствором соли соответствующего металла до полного насыщения, но что бы под слоем бумаги не образовывался слой жидкости.

Для эксперимента были взяты соединения хрома, свинца и кобальта, и никеля в концентрациях 1, 5, 10 и 50 их предельно допустимой концентрации в почве. В качестве среды для контрольных образцов использовалась дистиллированная вода.

В ходе эксперимента ежесуточно проводился контроль числа проросших зерен; числа и длинны проростков корней; длины листового проростка; а также прирост биомассы.

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

3.1 Влияние концентрации соединения  ионов хрома на контролируемые  параметры тест-объекта

При исследовании влияния солей хрома на контролируемые параметры тест-объекта мы получили данные, представленные на рисунках 4-8.

Рисунок 4. Влияние концентрации соединения хрома на процент проросших семян

Рисунок 5. Влияние концентрации соединения хрома на процент семян с первичным корнем

Рисунок 6. Влияние концентрации соединения хрома на массу проросших семян

Рисунок 7. Влияние концентрации соединения хрома на длину проростков

Рисунок 8. Влияние концентрации соединения хрома на протяженность первичного корня

На основании данных полученных при изучения влияния ионов хрома на контролируемые параметры тест-оъекта, можно сделать следующие выводы. Наиболее показательными являются, такие параметры, как длина проростка и первичного корня (рис. 7-8). Установлена явная зависимость данных параметров от концентрации вводимого в среду вещества. Концентрации менее 10 ПДК оказывают стимулирующее влияние на проросток, высокие (свыше 10 ПДК), оказывают явный негативный эффект. Тогда как при расмотрени таких параметров, как прирост биомассы (рис. 6), процент проросших семян и процент семян с первичным корнем (рис. 4-5), четкой концентрационной зависимости не наблюдается, однака установлено положительное влияние ионов хрома на скорость проростания семян и на процент семян спервичным корнем (рис. 4-5).